JPH0268835A - Ion source - Google Patents

Ion source

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Publication number
JPH0268835A
JPH0268835A JP63221129A JP22112988A JPH0268835A JP H0268835 A JPH0268835 A JP H0268835A JP 63221129 A JP63221129 A JP 63221129A JP 22112988 A JP22112988 A JP 22112988A JP H0268835 A JPH0268835 A JP H0268835A
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JP
Japan
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laser beam
state
laser
electric field
atoms
Prior art date
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Application number
JP63221129A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tatsuo Omori
達夫 大森
Koichi Ono
高一 斧
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make it possible to efficiently generate ion beams in high purity and with large currents by applying an electric field to the down stream area of substance which was excited in Rydberg condition after exciting specific substance in the Rydberg condition being highly excited condition by applying laser beams. CONSTITUTION:This has a laser generator 8 to generate laser beams which excite only specific kind of atoms or molecules from base condition to Rydberg condition. For example, in case of generation ion beams of Na (sodium), Na is put in a grain flow generator 1 so as to generate atomic beams 3 of Na from a nozzle 2. By a mirror 17 inside the laser beam generator 8 and a dielectric reflecting mirror 18, a pulse laser beam with a wave length of 589nm (lambda1) and a pulse laser beam with a wave length of 413.1nm (lambda2) are made the laser beams on the same optical axis, and these are applied to an atomic beam 3 near the nozzle 2 of the grain flow generator by a light path adjusting instrument 9. Hereby, if the output densities of the two wave lengths pulse lasers from the laser beam generator 8 are not less than 10<4>W/cm<2>, Na atoms are saturated from the base condition to the highly excited condition of 20d, and they become the atomic beam in the Rydberg condition efficiently.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光を利用して物質のイオン化を行なうイオ
ン源、特に光としてレーザ光を利用するイオン源に関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an ion source that uses light to ionize substances, and particularly to an ion source that uses laser light as the light.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第11図は例えば特開昭50−22999号公報に示さ
れた従来のレーザ光を利用したイオン源装誼を示す図で
あり、図において、1はイオン化する物質を原子又は分
子流の形で発生するための粒子流発生器、2は上記粒子
流発生器1の噴出孔、3は上記噴出孔2からビーム状に
引き出された原子ビーム、4は3台の色素レーザ装置、
5は上記色素し−ザ装置4からのレーザ光を上記原子ビ
ーム3とP点で集光するためのレンズ、6はレーザ光照
射により原子ビーム3の一部がイオン化したイオンを含
む原子ビーム、7は上記イオンを含む原子ビームからイ
オンのみを選択するための電極である。
FIG. 11 is a diagram showing an ion source arrangement using a conventional laser beam, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-22999. 2 is an ejection hole of the particle flow generator 1; 3 is an atomic beam extracted from the ejection hole 2 in the form of a beam; 4 is three dye laser devices;
5 is a lens for focusing the laser beam from the dye laser device 4 on the atomic beam 3 and point P; 6 is an atomic beam containing ions in which a portion of the atomic beam 3 is ionized by laser beam irradiation; Reference numeral 7 denotes an electrode for selecting only ions from the ion-containing atomic beam.

従来のレーザ光を利用したイオン源は上記のように構成
される。たとえばNa  (ナトリウム)を粒子流発生
器1に入れ、Naの原子ビーム3を発生させて、レーザ
光によりイオン化を行なう場合の動作について説明する
A conventional ion source using laser light is configured as described above. For example, an operation will be described in which Na (sodium) is put into the particle flow generator 1, an atomic beam 3 of Na is generated, and ionization is performed using a laser beam.

粒子流発生器1の噴出孔2からNaの原子ビーム3があ
る速度を持ってP点を通過している時に色素レーザ装置
4a、4b、4cからのレーザ光をレンズ5a、5b、
5cを用いてP点に同時に集光する。
When the Na atomic beam 3 is passing through point P at a certain speed from the ejection hole 2 of the particle flow generator 1, the laser beams from the dye laser devices 4a, 4b, 4c are transmitted through lenses 5a, 5b,
5c to simultaneously focus the light on point P.

Na原子のエネルギー図は第12図のようになるので、
第1の色素レーザ装置4aの波長(λa)を589 n
mにし、第2の色素レーザ装置4bの波長(λb)を5
68.8 nmにするとP点のNa原子はレーザ光によ
り光学的に励起され、3S”Sl/2の基底状態から3
p”Ps/lの状態を経て4d状態へ励起される。Na
原子の4d状態はNa原子の電離限界から約7000c
m−’のところにあるので、第3の色素レーザ装置4C
の波長(λC)を1゜4μmより短くすると、Na原子
は光により直接的にイオン化がおこり、P点を通過した
原子ビームにはイオンが一部含まれることになる。この
イオンを含む原子ビーム6に電極7により電場を印加し
てイオンのみを偏向して所定の領域へイオンビームとし
て入射する。
The energy diagram of the Na atom is shown in Figure 12, so
The wavelength (λa) of the first dye laser device 4a is set to 589 n
m, and the wavelength (λb) of the second dye laser device 4b is set to 5.
When the wavelength is set to 68.8 nm, the Na atom at the P point is optically excited by the laser beam and changes from the ground state of 3S''Sl/2 to 3S''Sl/2.
It is excited to the 4d state through the p''Ps/l state.Na
The 4d state of atoms is about 7000c from the ionization limit of Na atoms.
m-', the third dye laser device 4C
When the wavelength (λC) of is made shorter than 1°4 μm, Na atoms are directly ionized by the light, and the atomic beam that passes through point P contains some ions. An electric field is applied to the atomic beam 6 containing the ions by an electrode 7 to deflect only the ions, and the ions are incident on a predetermined region as an ion beam.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記のような従来のレーザ光を利用したイオン源では、
P点でレーザ光に照射されたNa原子を効率良くイオン
化するのに必要なレーザ光出力密度は、レーザ光の波長
幅と各遷移の吸収波長幅が等しいとすると、Naの3 
s” S+7z   31)” P3/を遷移(遷移波
長589nm)のアインシュタインのA係数が約6.3
X10’(1/ s )であるので、第1の色素レーザ
光は約10W/cm”以上の出力密度が必要であり、N
aの3p! p−4a遷移(遷移波長568.8nn+
)のアインシュタインのA係数が約1゜3 XIO’(
1/ s )であるので第2の色素レーザ光は約40 
W/cm”以上の出力密度が必要であり、Naの4d状
態を直接光イオン化する場合の光の吸収断面積はio−
” cffl以下であるので、第3の色素レーザ光は1
0’ W/cm”以上の出力密度が必要になる。
In the conventional ion source using laser light as mentioned above,
The laser light power density required to efficiently ionize Na atoms irradiated with laser light at point P is 3
s" S+7z 31)"Einstein's A coefficient for transitioning P3/ (transition wavelength 589 nm) is approximately 6.3
X10' (1/s), the first dye laser beam needs to have a power density of about 10 W/cm" or more, and N
A's 3p! p-4a transition (transition wavelength 568.8nn+
), Einstein's A coefficient is approximately 1°3 XIO'(
1/s), so the second dye laser light is about 40
A power density of W/cm" or more is required, and the absorption cross section of light when directly photoionizing the 4d state of Na is io-
” Since it is less than cffl, the third dye laser beam
A power density of 0'W/cm'' or more is required.

このように従来のレーザ光を利用したイオン源では、直
接光イオン化の光の吸収断面積がIQ−I lIC1以
下であるのでレーザ光出力密度としては10’W/cm
”以上の大出力の色素レーザ光が必要になる。しかし一
般に入手可能な高出力の大型色素レーザの出力は、パル
スレーザの場合106W程度であり連続発振レーザの場
合IW程度であるので、パルスレーザの場合10− ’
cm”以下、連続発振レーザの場合10−’am”以下
の微小領域に集光してレーザ高出力密度を上げる必要が
ある。
In this way, in the conventional ion source using laser light, the absorption cross section of direct photoionization light is less than IQ-IlIC1, so the laser light output density is 10'W/cm.
However, the output of commonly available high-output large dye lasers is about 106 W for pulsed lasers and about IW for continuous wave lasers, so pulsed laser 10-'
It is necessary to increase the laser high output density by focusing the light on a micro region of less than 10 cm" or less than 10 am" in the case of a continuous wave laser.

したがって、イオン化できる領域が小さくてイオン量が
大きくとれないという問題点があった。
Therefore, there was a problem that the ionizable region was small and a large amount of ions could not be obtained.

又、原子ビーム3の原子密度を大きくしてイオン量を増
加しようとしても、イオン密度が1010個/c−3以
上になると、イオン自身による空間電場が3 kV/c
■以上になるため、P点以後のイオンを含む原子ビーム
6の領域でイオンが広がってしまい、有効に電極7に到
達して所定の領域に入射できるイオン量は増加せず、原
子ビーム3の原子密度を大きくしても得られるイオン量
は大きくとれないという問題点があった。
Furthermore, even if an attempt is made to increase the amount of ions by increasing the atomic density of the atomic beam 3, if the ion density exceeds 1010/c-3, the spatial electric field due to the ions themselves will be 3 kV/c.
■As a result, the ions spread in the region of the atomic beam 6 that includes ions after point P, and the amount of ions that can effectively reach the electrode 7 and enter a predetermined region does not increase, and the ions of the atomic beam 3 There was a problem in that even if the atomic density was increased, the amount of ions obtained could not be increased.

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、低出力の色素レーザ装置を用いて、広い領域
に渡って高効率で原子ビームをイオン化でき、大口径・
大電流のイオンビームを発生できるレーザ光を利用した
イオン源を得ることを目的とする。
This invention was made to solve the above-mentioned problems. It uses a low-output dye laser device to ionize an atomic beam over a wide area with high efficiency, and is capable of ionizing an atomic beam with a large diameter and high efficiency.
The objective is to obtain an ion source using laser light that can generate a large current ion beam.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

この発明に係るイオン源は、粒子流発生器と、該粒子流
発生器からの粒子流中の原子もしくは分子に対し、粒子
噴出孔近傍の領域にレーザ光を照射することにより特定
の原子種もしくは分子種のみを基底状態からりドベルグ
状態(Rydberg States)へ励起するレー
ザ光を発生するレーザ光発生器と、該レーザ光が照射さ
れた領域の下流部に上記高励起状態の原子もしくは分子
をイオン化するための最小電場を印加する電極とを設け
たものである。
The ion source according to the present invention includes a particle flow generator and a particle flow generator that detects specific atomic species or molecules by irradiating a region near a particle ejection hole with a laser beam. A laser beam generator that generates a laser beam that excites only the molecular species from the ground state to Rydberg States, and ionizes the atoms or molecules in the highly excited state downstream of the region irradiated with the laser beam. It is equipped with an electrode that applies the minimum electric field to

〔作用〕[Effect]

この発明においては、特定のイオン化したい物質のみを
基底状態からりドベルグ状態へ共鳴励起する波長にレー
ザ波長を一致させ、レーザ光を粒子流の粒子噴出孔近傍
に照射しているため、粒子噴出孔近傍の粒子密度の高い
領域を通過中の特定の原子又は分子がリドベルグ状態へ
効率良く励起される。又、リドベルグ状態の寿命は数1
0μs以上あり、リドベルグ状態の原子は中性であるの
で、レーザ光入射後、粒子流中のりドベルグ状態の原子
又は分子は、レーザ光の有無によらずリドベルグ状態に
数10μs以上存在し、数10μs以上の間リドベルグ
状態の原子又は分子はその状態を維持しつつ粒子流とな
って下流に流れていき、流れに沿って密度を下げながら
囲りに拡散して、電極付近では広い領域にリドベルグ状
態の原子又は分子が分布することになる。
In this invention, the laser wavelength is matched to the wavelength that resonantly excites only the specific substance to be ionized from the ground state to the Red Berg state, and the laser beam is irradiated near the particle ejection hole of the particle flow. A specific atom or molecule passing through a region of high particle density in the vicinity is efficiently excited to the Ridberg state. Also, the lifetime of the Ridberg state is several 1
0 μs or more, and atoms in the Rydberg state are neutral, so after the laser beam is incident, atoms or molecules in the Rydberg state in the particle flow remain in the Rydberg state for several tens of μs or more, regardless of the presence or absence of the laser beam, and the atoms or molecules in the Rydberg state remain in the Rydberg state for several tens of μs or more During the above period, the atoms or molecules in the Ridberg state maintain their state and flow downstream as a particle stream, and along the flow, they diffuse to the surroundings while decreasing the density, and in the vicinity of the electrode, the Lydberg state is spread over a wide area. atoms or molecules will be distributed.

又、リドベルグ状態の原子又は分子は数kV/cm以下
の弱い電場を印加することにより容易に効率良くイオン
化するため、下流部に設けた電極間に電場を印加するこ
とにより、電極間の広い領域に分布しているリドベルグ
状態の原子又は分子のみをイオン化する。
In addition, atoms or molecules in the Ridberg state can be easily and efficiently ionized by applying a weak electric field of several kV/cm or less. ionizes only the atoms or molecules in the Lydberg state that are distributed in .

又、この時のイオン密度は、レーザ光照射領域の密度よ
り充分に低くなっているので、イオンの空間電場の影響
を受けず、有効に電極間から引き出すことができるので
、大口径、大電流のイオンビームを効率良く発生するこ
とができる。
In addition, the ion density at this time is sufficiently lower than the density of the laser beam irradiation area, so the ions can be effectively extracted from between the electrodes without being affected by the spatial electric field. can efficiently generate ion beams.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図はこの発明の第1の実施例によるイオン源を示し
、図において、1はイオン化する物質を原子又は分子流
の形で発生するための粒子流発生器、2は上記粒子流発
生器1の噴出孔、3は上記噴出孔2からビーム状に引き
出された原子ビーム、8は1種又は複数の波長を有する
レーザ光を照射するレーザ光発生器、9は上記レーザ光
発生器8からのレーザ光を粒子流発生器1の噴出孔2近
傍の原子ビーム3に照射するための光路調整器であって
、この実施例では凸レンズが使われている。
FIG. 1 shows an ion source according to a first embodiment of the present invention, in which 1 is a particle stream generator for generating the substance to be ionized in the form of an atomic or molecular stream; 2 is the particle stream generator; 1 is an ejection hole; 3 is an atomic beam extracted from the ejection hole 2 in the form of a beam; 8 is a laser beam generator that irradiates a laser beam having one or more wavelengths; 9 is from the laser beam generator 8. This is an optical path adjuster for irradiating the atomic beam 3 near the ejection hole 2 of the particle flow generator 1 with a laser beam, and a convex lens is used in this embodiment.

10aは上記原子ビーム3上でレーザ光が照射された領
域であって原子ビーム中の原子がリドベルグ状態に励起
されている。10b、10c、10dはリドベルグ状B
10 aに励起された原子ビームが、時間の経過につれ
て下流に流れていく様子を示し、一定時間後のりドベル
グ状態にある原子の分布を示している。lla、llb
は上記リドベルグ状態の原子ビームの下流域10dに配
置された一組の電極であって、この実施例では平行平板
型の電極が配置されている。
Reference numeral 10a denotes a region on the atomic beam 3 that is irradiated with a laser beam, and the atoms in the atomic beam are excited to a Ridberg state. 10b, 10c, 10d are Ridberg-shaped B
10A shows how the excited atomic beam flows downstream over time, and shows the distribution of atoms in the deberg state after a certain period of time. lla, llb
is a set of electrodes arranged in the downstream region 10d of the atomic beam in the Ridberg state, and in this embodiment, parallel plate type electrodes are arranged.

12は上記電111b上の電111aに対向した位置に
ある引出し孔、13は上記電極11aに接続された電源
であって、この実施例では、正電′圧のパルス電圧を発
生するパルス電源が使用されている。14は上記レーザ
光発生器8からのレーザ光を上記原子ビーム3に照射し
て、原子ビーム3をリドベルグ状態の原子ビーム10に
励起した後、上記電源13から電極11a、llbに印
加されたパルス電圧によって電極間に生じた電場、15
は上記電場14により雪掻11a、llb間に流入した
りドベルグ状態の原子ビームがイオン化と加速を受けて
、電極11b上の引き出し孔12から引き出されたイオ
ンビームである。
Reference numeral 12 denotes an extraction hole located on the electrode 111b opposite to the electrode 111a, and 13 denotes a power source connected to the electrode 11a. In this embodiment, a pulse power source that generates a positive pulse voltage is used. It is used. 14 is a pulse applied from the power source 13 to the electrodes 11a and llb after irradiating the atomic beam 3 with a laser beam from the laser beam generator 8 to excite the atomic beam 3 into an atomic beam 10 in the Ridberg state. Electric field created between electrodes by voltage, 15
is an ion beam which is ionized and accelerated by the electric field 14, and is extracted from the extraction hole 12 on the electrode 11b.

第2図は上記実施例において使用されているレーザ光発
生器8の一構成例を示す図であり、2種類の異なる波長
を有するレーザ光を同一光軸上で発生する場合を示す、
16aは波長λ、を中心波長にして発振する色素レーザ
、16bは波長λ2を中心波長にして発振する色素レー
ザ、17は上記色素レーザ(λ+)16aからのレーザ
光の光路を調整するための光学素子であってこの例では
ミラーを使用している。18は上記色素レーザ(λ+)
16aの発振波長λ、の光は透過し、色素レーザ(7g
)16bの発振波長λ2の光は反射するミラーであって
、この実施例では誘電体反射ミラーが使用されている。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the laser beam generator 8 used in the above embodiment, and shows a case where laser beams having two different wavelengths are generated on the same optical axis.
16a is a dye laser that oscillates with wavelength λ as its center wavelength; 16b is a dye laser that oscillates as center wavelength λ2; 17 is an optical system for adjusting the optical path of the laser beam from the dye laser (λ+) 16a. The element is a mirror in this example. 18 is the above dye laser (λ+)
The light with the oscillation wavelength λ of 16a is transmitted, and the dye laser (7g
) 16b with an oscillation wavelength λ2 is reflected by a mirror, and in this embodiment, a dielectric reflective mirror is used.

19は波長λ3.λ2を有するレーザ光である。19 is the wavelength λ3. This is a laser beam having a wavelength of λ2.

上記のように構成された本発明の第1の実施例のイオン
源において、例えばNa  (ナトリウム)のイオンビ
ームを発生する場合は、Naを粒子流発生器1に入れ、
噴出孔2からNaの原子ビーム3を発生させる。レーザ
光発生器8内のミラー17と誘電体反射ミラー1日とに
より波長589nm(λ、)、波長413.1nm(λ
t)のパルスレーザ光を同一光軸上のレーザ光とし、光
路調整器9により粒子流発生器の噴出孔2の近傍の原子
ビーム3に照射する。第3図はNa原子のエネルギー図
であってNa原子の高励起状態の一つの例が示されてい
る。レーザ光に照射されたNa原子流のNaは、33”
SI/!の基底状態から589 r++++のレーザ光
(λI)により3p”Ps/zの状態に励起され、41
3.1 nwのレーザ光(λ2)により20dの価電子
の主量子数が20である高励起状態(Rydberg 
5tates+リドベルグ状態)に励起される。必要な
レーザ出力は、Naの3s” 5lit  3p” P
5/を遷移(遷移波長589 nm)のアインシュタイ
ンのA係数が約6.3 XIO’(1/s)であるので
、波長589 nmのレーザ光λ、が約10W/c+s
”以上の出力密度があれば、Na原子は基底状態から3
ptP、/2状態への励起は飽和される。Na原子の3
p”Ps/z状態からnd状態の高励起状態への励起の
光の吸収断面積は第4図のようになり、高励起状態の主
量子数(n)の値に応じて1O−14CIll!から1
O−17Crazの範囲になるが、31)”P+/z−
20d遷移(遷移波長413.1 nm)の時は吸収断
面積が約1O−IsC11!であるので、波長413.
1 r++aのレーザ光λ8が約10’ W/c+*”
以上の出力密度があれば、Na原子の39”Ps/z状
態から20d状態への励起は飽和される。
In the ion source of the first embodiment of the present invention configured as described above, when generating an ion beam of Na (sodium), for example, put Na into the particle flow generator 1,
A Na atomic beam 3 is generated from the ejection hole 2. The mirror 17 in the laser beam generator 8 and the dielectric reflection mirror produce wavelengths of 589 nm (λ, ) and 413.1 nm (λ).
The pulsed laser beam of t) is made into a laser beam on the same optical axis, and is irradiated to the atomic beam 3 near the ejection hole 2 of the particle flow generator by the optical path adjuster 9. FIG. 3 is an energy diagram of Na atoms, showing one example of a highly excited state of Na atoms. The amount of Na in the Na atom stream irradiated by the laser beam is 33"
SI/! is excited from the ground state to a state of 3p''Ps/z by a laser beam (λI) of 589 r++++, and
3.1 nw laser light (λ2) produces a highly excited state (Rydberg
5tates+Ridberg state). The required laser output is Na 3s” 5lit 3p”P
5/ (transition wavelength 589 nm) is approximately 6.3
``If there is a power density higher than
Excitation to the ptP,/2 state is saturated. 3 of Na atoms
The absorption cross section of excitation light from the p''Ps/z state to the highly excited state of the nd state is as shown in Figure 4, and depends on the value of the principal quantum number (n) of the highly excited state: 1O-14CIll! from 1
It is in the range of O-17Craz, but 31)"P+/z-
At the time of 20d transition (transition wavelength 413.1 nm), the absorption cross section is approximately 1O-IsC11! Therefore, the wavelength is 413.
1 r++a laser beam λ8 is approximately 10'W/c++"
With the above power density, the excitation of Na atoms from the 39''Ps/z state to the 20d state is saturated.

以上により、レーザ光発生器8からの2波長パルスレー
ザ光の出力密度が10’ W/cm”以上あればNa原
子は基底状態から20dの高励起状態へ飽和され、効率
良くリドベルグ状態の原子ビームになる。
As described above, if the output density of the two-wavelength pulsed laser beam from the laser beam generator 8 is 10'W/cm'' or more, the Na atoms are saturated from the ground state to the highly excited state of 20 d, and an atomic beam of the Ridberg state is efficiently generated. become.

又、リドベルグ状態の放射寿命は第5図のようになり、
励起状態の主量子数(n)の値に応じて変化するが、2
0dの時は約30μsであり、−度レーザ光によりn原
子が、20dの状態に励起されると、レーザ光が消えて
もNa原子は約30μsの寿命でリドベルグ状態20d
にあることになる。
Also, the radiative lifetime of the Ridberg state is as shown in Figure 5,
It changes depending on the value of the principal quantum number (n) of the excited state, but 2
When the time is 0d, it is about 30μs, and when an n atom is excited to the 20d state by a −degree laser beam, the Na atom will remain in the Rydberg state 20d with a lifetime of about 30μs even after the laser beam disappears.
It will be in .

従って、2波長のパルスレーザ光によりリドベルグ状態
に励起された噴出孔2近傍の粒子密度の高い原子ビーム
3中のNa原子は、レーザ光照射が終了した後も約30
μs以上の間リドベルグ状態を維持しつつ粒子流となっ
て下流に流れていき、流れに沿って密度を下げながら囲
りに拡散する。
Therefore, the Na atoms in the atomic beam 3 with high particle density near the ejection hole 2 excited to the Ridberg state by the two-wavelength pulsed laser beam remain about 30% even after the laser beam irradiation is finished.
While maintaining the Ridberg state for more than μs, the particles flow downstream as a particle stream, and diffuse into the surrounding area while decreasing the density along the flow.

つまり最初10aのレーザ光照射領域程度の領域を占め
ていたりドベルグ状態の原子ビームは、時間の経過につ
れて10 b、  10 c、  10 dと示される
ように体積を増し、密度を下げて下流に流れていく。こ
の体積の増す割合は粒子流発生器内のNa原子が熱平衡
状態にあり、噴出孔2が厚さの薄い単一孔である時には
、Na原子の速度分布はマクスウェル分布をし、原子ビ
ーム3の流れは余弦則に従って広がるので、最初10a
のりドベルグ状態の原子ビームは体積V、を占めており
、これが下流にlだけ流れた位置では体積は約13/v
0倍になる0例えば、レーザ光照射面積が〜1O−IC
11!であって、10aのリドベルグ状態の原子ビーム
が〜3 X 10−’cm’の体積を占める時、下流に
15 mm流れた時のりドベルグ状態の原子ビームの体
積は〜3cm’となり体積は約100倍となり、Na原
子密度は約1/100になる。
In other words, the atomic beam, which initially occupies an area about the same as the laser beam irradiation area 10a, increases in volume as shown by 10b, 10c, and 10d as time passes, decreases its density, and flows downstream. To go. The rate of increase in volume is determined by the fact that when the Na atoms in the particle flow generator are in thermal equilibrium and the ejection port 2 is a single thin hole, the velocity distribution of the Na atoms has a Maxwellian distribution, and the atomic beam 3 has a Maxwellian distribution. Since the flow spreads according to the cosine law, initially 10a
The Noridberg state atomic beam occupies a volume V, and at the position where it flows downstream by l, the volume is approximately 13/v.
For example, the laser beam irradiation area is ~1O-IC
11! Therefore, when the atomic beam in the Lydberg state of 10a occupies a volume of ~3 x 10-'cm', the volume of the atomic beam in the Lydberg state when it flows 15 mm downstream is ~3 cm', and the volume is about 100 cm. This is doubled, and the Na atom density becomes approximately 1/100.

以上に述べた性質は、他の原子のりドベルグ状態につい
ても言え、一般に、価電子の主量子数(n)が大きい高
励起状態(Rydberg 5tates)の原子、分
子の性質は、アール エフ スチビンゲス(RoF、 
Stebbings)他等の「原子および分子のりドベ
ルグ状態J (Rydberg 5tates of 
Atoa+s and Mo1ecules+ ”) 
(ケンブリッジ大学出版、ロンドン(Cambridg
e University Press、 Londo
n)、1983)によれば、原子、分子によらず主量子
数(n)でほぼ表現でき、リドベルグ状態の寿命τは τ−n3 となり、nが大きくなるにつれて寿命が長くなる。
The properties described above can also be applied to the Rydberg state of other atoms, and in general, the properties of atoms and molecules in highly excited states (Rydberg 5tates) where the principal quantum number (n) of valence electrons is large are based on RoF Stibinges (RoF). ,
``Rydberg 5tates of atoms and molecules'' by Stebbings et al.
Atoa+s and Molecules+”)
(Cambridge University Press, London)
e University Press, Londo
n), 1983), it can be approximately expressed by the principal quantum number (n) regardless of atoms or molecules, and the lifetime τ of the Ridberg state is τ−n3, and the lifetime becomes longer as n becomes larger.

また、高励起状態の価電子は電離限界の近くのエネルギ
ー準位にあるため、外部電場により容易にイオン化がお
こり、イオン化のための最低電場Ecは Ec〜3.2  XIO’  n−’  (V/cm)
        ・・・(1)で与えられ、n=20の
場合にはEc〜2kV/CImである。
In addition, since the highly excited state valence electrons are at an energy level near the ionization limit, they are easily ionized by an external electric field, and the minimum electric field Ec for ionization is Ec ~ 3.2 XIO'n-' (V /cm)
...(1), and when n=20, Ec~2kV/CIm.

次にこのようにして、Na原子ビーム3にパルスレーザ
光を照射して、主量子数が20のNaのリドベルグ状態
の原子ビームに励起した後、電極11a、llbに電源
13からパルス電圧を印加して電極間に電場14を第6
図に示すタイミングで繰り返し印加する。第6図におい
て20はパルスレーザ光の発振周期、21はパルスレー
ザ光照射後、電極間に電場を印加するまでの遅れ時間で
ある電場印加遅れ時間、22は電極間に電場が印加され
ている時間である電場印加時間、24は電場の強さであ
る。
Next, in this way, the Na atom beam 3 is irradiated with a pulsed laser beam to excite it into an atomic beam in the Ridberg state of Na with a principal quantum number of 20, and then a pulsed voltage is applied from the power source 13 to the electrodes 11a and llb. to create an electric field 14 between the electrodes.
Apply repeatedly at the timing shown in the figure. In FIG. 6, 20 is the oscillation period of the pulsed laser beam, 21 is the electric field application delay time which is the delay time until the electric field is applied between the electrodes after irradiation with the pulsed laser beam, and 22 is the electric field being applied between the electrodes. The electric field application time is the time, and 24 is the electric field strength.

この実施例では、パルスレーザ光の発振周期20は約1
μs、電場印加遅れ時間21は約30μs1電場印加時
間22は約1μs、電場の強さ24は5kV/cmであ
り、レーザ光照射面積は約10日cがであり、レーザ光
照射位置から画電極11a、11b間のりドベルグ状態
の原子ビーム10dまでの距離は1511−である。
In this example, the oscillation period 20 of the pulsed laser beam is approximately 1
μs, the electric field application delay time 21 is about 30 μs, the electric field application time 22 is about 1 μs, the electric field strength 24 is 5 kV/cm, the laser beam irradiation area is about 10 days c, and the image electrode is The distance between 11a and 11b to the atomic beam 10d in the Lidberg state is 1511-.

原子ビーム3の平均熱速度は数100m/s程度である
のでレーザ光により領域10aに励起されたりドベルグ
状態の原子ビームは、電場印加の時には、はぼ電極間の
領域10dに流入していることになる。従って電極間に
印加される電場の強さが5kV/ca+であるので、電
極間の高励起状態のNa原子は容易にイオン化して発生
したNaイオンは電場により加速を受けて電極11bの
引き出し孔12を通して外部へ引き出される。
Since the average thermal velocity of the atomic beam 3 is about several hundred m/s, the atomic beam excited in the region 10a by the laser beam or in the Deberg state flows into the region 10d between the electrodes when an electric field is applied. become. Therefore, since the strength of the electric field applied between the electrodes is 5 kV/ca+, the Na atoms in a highly excited state between the electrodes are easily ionized, and the generated Na ions are accelerated by the electric field and are formed through the extraction hole of the electrode 11b. 12 to the outside.

前に説明したように、10dのリドベルグ状態の原子が
分布する領域は、約3ca+’となり、レーザ照射領域
10aの体積の約100倍に広がり、Na原子密度は1
/100になる。従って、発生したNaイオン自身の空
間電場に影響されず引き出せるイオン量も約100倍に
なる。
As explained earlier, the area where atoms in the Ridberg state of 10d are distributed is about 3ca+', which is about 100 times the volume of the laser irradiation area 10a, and the Na atom density is 1.
/100. Therefore, the amount of Na ions that can be extracted without being affected by the spatial electric field of the generated Na ions is also approximately 100 times greater.

以上述べた動作により本実施例では、レーザ光出力1k
W程度の低出力のパルス色素レーザ光を用いて、従来例
に比べ100倍以上のイオン電流を発生できる。
Due to the operation described above, in this embodiment, the laser light output is 1k.
Using a pulsed dye laser beam with a low output of about W, an ion current 100 times or more can be generated compared to the conventional example.

なお、上記実施例において、領域10aと10dの距離
を15f1以上にし、レーザ波長を変化させて主量子数
20以上のりドベルグ状態へNaを励起し、電場印加遅
れ時間を30μs以上にすることにより、より大電流の
イオンビームを発生できる。又、レーザ光を同一光軸に
して横方向から噴出孔近傍に照射する代わりに、各レー
ザ光の光軸をずらして噴出孔近傍でレーザ光が重なるよ
うに照射しても、またレーザ光を上方、斜めから入射す
るようにしても同様に大電流のイオンビームを発生でき
る。
In the above example, by setting the distance between regions 10a and 10d to 15f1 or more, changing the laser wavelength to excite Na to the Nordberg state with a principal quantum number of 20 or more, and setting the electric field application delay time to 30 μs or more, Can generate ion beam with higher current. Also, instead of making the laser beams on the same optical axis and irradiating the vicinity of the nozzle from the side, it is also possible to shift the optical axes of each laser beam and irradiate the laser beams so that they overlap near the nozzle. Even if the ion beam is incident from above or obliquely, a large current ion beam can be generated in the same way.

なお、上記実施例では、Naのイオンビームを発生する
場合を示したが、リドベルグ状態は、原子、分子に依ら
ず励起状態の主量子数(n)で性質が示されるので、ど
のような原子、分子も同様にイオンビームとして発生で
きる。Qaのイオンビームを発生する場合は色素レーザ
16aの発振波長λ1をGaの基底状態から53の励起
状態への遷移波長403.3 nmにし、色素レーザ1
6bの発振波長λ8を429 nsより短い5s−np
遷移の遷移波長にすれば同様にイオンビームを発生でき
る。
In addition, although the above example shows the case where an ion beam of Na is generated, the properties of the Lydberg state are expressed by the principal quantum number (n) of the excited state, regardless of atoms or molecules. , molecules can similarly be generated as ion beams. When generating an ion beam of Qa, the oscillation wavelength λ1 of the dye laser 16a is set to 403.3 nm, the transition wavelength from the ground state of Ga to the excited state of 53, and the dye laser 1
The oscillation wavelength λ8 of 6b is 5s-np shorter than 429 ns.
An ion beam can be generated in the same way if the transition wavelength is used.

第7図は、リドベルグ状態の原子ビームの下流に原子ビ
ームの流れにほぼ平行に電場を印加するために、孔12
のあいた電極11a、llbを配置した本発明の第2の
実施例を示し、本実施例では電極11a、llb間に電
源13からパルス電場もしくは直流電場を印加して、イ
オンビームを原子ビームと同一軸上に発生する。また、
この実施例では、リドベルグ状態の原子ビーム10を電
極11aの孔12を通じて電極間に流入するようにし、
イオンビームを引き出す電極11bの穴12も同一軸上
に設けているので、電極間に流入した原子は、全てイオ
ンビームとして引き出すことができる。
FIG. 7 shows a hole 12 in order to apply an electric field downstream of the atomic beam in the Ridberg state approximately parallel to the flow of the atomic beam.
A second embodiment of the present invention is shown in which electrodes 11a and llb are arranged with a gap between the electrodes 11a and llb. Occurs on the axis. Also,
In this embodiment, the atomic beam 10 in the Ridberg state is made to flow between the electrodes through the hole 12 of the electrode 11a,
Since the hole 12 of the electrode 11b for extracting the ion beam is also provided on the same axis, all the atoms that have flowed between the electrodes can be extracted as an ion beam.

第8図は本発明の第3の実施例において、連続発振のレ
ーザ光を用いてイオンビームを発生する場合のパルス電
場印加のタイミングを示す図で、一定の周期で電場を印
加する場合を示す。
FIG. 8 is a diagram showing the timing of applying a pulsed electric field when generating an ion beam using continuous wave laser light in the third embodiment of the present invention, and shows the case where the electric field is applied at a constant cycle. .

連続発振のレーザ光を用いて原子をリドベルグ状態へ励
起する場合に必要なレーザ出力は、リドベルグ状態の寿
命が長く数10μs程度もあるので、パルスレーザ光の
場合と比べて充分弱い出力密度であっても、徐々にリド
ベルグ状態への励起と蓄積がおこるものであり、−例と
してn原子を3pzPs/を状態から20d状態へ励起
する場合には数10W/C11!程度あれば遷移の飽和
が起こるものである。
The laser power required to excite atoms into the Lydberg state using continuous wave laser light is a sufficiently weaker power density than that of pulsed laser light because the Lydberg state has a long lifetime of several tens of microseconds. However, excitation and accumulation to the Ridberg state occur gradually. For example, when an n atom is excited from the 3pzPs/ state to the 20d state, the energy consumption is several 10 W/C11! To some extent, transition saturation occurs.

従って連続発振のレーザ光を用いて原子をリドベルグ状
態へ励起するには、パルスレーザ光の場合と異なりより
低出力の数10W/CDI”程度のレーザ出力があれば
原子ビーム3をリドベルグ状態の原子ビームとして電極
間に流入することができる。
Therefore, in order to excite atoms to the Rydberg state using continuous wave laser light, unlike the case of pulsed laser light, it is necessary to have a lower laser output of several tens of W/CDI" to excite the atoms in the Rydberg state in the atomic beam 3. It can flow between the electrodes as a beam.

第8図のようにパルス電場を印加する場合は、常に電極
間に、リドベルグ状態の原子が流入しているので、パル
スイオンビームの発生の周波数は、印加電場の繰り返し
周波数と一致する。従って電場の印加をIMHz程度で
繰り返せば、数mA/cm”程度のイオンビームを発生
できる。又、電極間11a、llbに直流電場を印加す
る場合は、電極間に流入したりドベルグ状態の原子は、
全てイオン化してイオンビームとして外部へ引き出すこ
とができるので、引き出しうる電流値は、電極間に流入
するりドベルグ状態の原子数によることとなり、容易に
数m A / a1程度の高純度のイオンビームを連続
的に引き出すことができる。
When a pulsed electric field is applied as shown in FIG. 8, atoms in the Ridberg state always flow between the electrodes, so the frequency of generation of the pulsed ion beam matches the repetition frequency of the applied electric field. Therefore, by repeating the application of an electric field at about IMHz, it is possible to generate an ion beam of about several mA/cm.Also, when applying a DC electric field between the electrodes 11a and llb, it is possible to generate an ion beam of about several mA/cm''. teeth,
Since all of the ions can be ionized and extracted to the outside as an ion beam, the current value that can be extracted depends on the number of atoms in the deberg state flowing between the electrodes, and it is easy to generate a high-purity ion beam of about several mA/a1. can be drawn out continuously.

第9図は、本発明の第3の実施例を示し、木筆4の実施
例は電極間11a、llbに電場に平行に磁場25を印
加してイオンビームの拡がりを抑えるようにしたもので
ある。
FIG. 9 shows a third embodiment of the present invention, in which a magnetic field 25 is applied between the electrodes 11a and llb parallel to the electric field to suppress the spread of the ion beam. be.

なお、上記実施例では、原子又は分子のイオンビームを
発生する場合について述べたが、リドベルグ状態へ励起
するレーザ光の波長幅を狭くしてウラニウム(U)から
同位体のウラニウム235(23% tJ)を選択的に
イオン化するようにして、特定の同位体を多く含んだイ
オンビームの発生器としても利用できることはいうまで
もない。
In the above embodiment, a case was described in which an ion beam of atoms or molecules was generated. However, by narrowing the wavelength width of the laser beam that excites the Lydberg state, the isotope uranium 235 (23% tJ ) can also be used as an ion beam generator containing a large amount of a specific isotope.

第10図は、本発明のイオン源を用いて基板上にGa等
の薄膜を形成する場合の一構成例を示す。
FIG. 10 shows an example of a configuration in which a thin film of Ga or the like is formed on a substrate using the ion source of the present invention.

イオンビームを引き出す電極11bの外側に基板2bを
配置し、イオンビームを基板上に照射する。
A substrate 2b is placed outside the electrode 11b from which the ion beam is extracted, and the ion beam is irradiated onto the substrate.

又、原子流としてイオン打ち込みに用いるP。P is also used for ion implantation as an atomic stream.

As等の材料原子を同様にイオン化し、電場圧の強さを
数10kV/cm以上に設定してイオンビームが基板2
6に高速で到達するように構成すれば、上記イオン源は
薄膜形成ではなくイオン打ち込みとしても利用できる。
Atoms of a material such as As are ionized in the same way, and the ion beam is applied to the substrate 2 by setting the strength of the electric field to several tens of kV/cm or higher.
6, the above ion source can be used not only for thin film formation but also for ion implantation.

又、原子流としてフン素や塩素等のエツチング用の原子
・分子等を同様にイオン化してイオンビームを発生する
ように構成すれば、このイオンビームにより基板26上
の被エツチング層をエツチングでき、エツチングにもこ
のイオン源は利用できる。
Furthermore, if an ion beam is generated by similarly ionizing etching atoms and molecules such as fluorine and chlorine as an atomic stream, the layer to be etched on the substrate 26 can be etched by this ion beam. This ion source can also be used for etching.

なお、上記実施例では、基板26を電極の外側に配置し
ているが、イオン化は電極11a、11bの間でまんべ
んなく起こるので、基板26を電極11bの代用として
用いることもでき、基板26を電極11a、llbの間
に配置しても同様な効果が期待できる。
In the above embodiment, the substrate 26 is placed outside the electrode, but since ionization occurs evenly between the electrodes 11a and 11b, the substrate 26 can be used as a substitute for the electrode 11b, and the substrate 26 can be used as an electrode. A similar effect can be expected even if it is placed between 11a and llb.

また、以上のことから、本発明の実施態様としては以下
のものが考えられる。
Furthermore, from the above, the following embodiments of the present invention can be considered.

(2)電場方向が粒子流の流れの方向と交差するように
上記電極を配置したことを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載のイオン源。
(2) The ion source according to claim 1, wherein the electrode is arranged so that the direction of the electric field intersects the direction of the particle flow.

(3)  電場方向の粒子流の流れとほぼ平行になるよ
うに上記電極を配置したことを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載のイオン源。
(3) The ion source according to claim 1, wherein the electrode is arranged so as to be substantially parallel to the particle flow in the direction of the electric field.

(4)上記レーザ光発生器からのレーザ光として2種以
上の波長の異なるレーザ光を用い、原子もしくは分子を
基底状態からりドベルグ状態へ多段階励起することを特
徴とする特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれか
に記載のイオン源。
(4) Atoms or molecules are excited in multiple stages from the ground state to the Radberg state by using two or more types of laser light with different wavelengths as the laser light from the laser light generator. The ion source according to any one of Items 1 to 3.

(5)  上記レーザ光発生器からのレーザ光のうち少
なくとも1つのレーザ光をパルスレーザとし、該パルス
レーザ光の入射によりリドベルグ状態へ励起された粒子
が上記電極間に流入した後に、上記電極間にパルス電場
を1回もしくは複数回繰り返して印加することを特徴と
する特許請求の範囲第1項ないし第4項のいずれかに記
載のイオン源。
(5) At least one of the laser beams from the laser beam generator is a pulsed laser, and after the particles excited to the Ridberg state by the incidence of the pulsed laser beam flow between the electrodes, 5. The ion source according to claim 1, wherein a pulsed electric field is repeatedly applied once or multiple times.

(6)上記電極間に複数回繰り返し印加する上記パルス
電場のうちのあるパルス電場と次のパルス電場間の休止
期間を、粒子流が電場印加領域を通過するのに要する時
間より長くしたことを特徴とする特許請求の範囲第5項
記載のイオン源。
(6) The rest period between one pulsed electric field and the next of the pulsed electric fields repeatedly applied multiple times between the electrodes is made longer than the time required for the particle flow to pass through the electric field application region. An ion source according to claim 5, characterized in that:

(7)上記パルスレーザ光の入射と上記パルス電場の操
り返し印加とを繰り返し行なうことを特徴とする特許請
求の範囲第5項ないし第6項記載のイオン源。
(7) The ion source according to any one of claims 5 to 6, characterized in that the incidence of the pulsed laser beam and the repeated application of the pulsed electric field are repeated.

(8)上記レーザ発生器からのレーザ光を連続発振のレ
ーザ光とし、上記電極間にパルス電場を周期的に繰り返
し印加することを特徴とする特許請求の範囲第1項ない
し第4項のいずれかに記載のイオン源。
(8) Any one of claims 1 to 4, characterized in that the laser beam from the laser generator is a continuous wave laser beam, and a pulsed electric field is periodically and repeatedly applied between the electrodes. The ion source described in Crab.

(9)上記電極間に繰り返し印加されるパルス電場のあ
るパルス電場と次のパルス電場間の休止時間を、粒子流
が電場印加領域を通過するのに要する時間より長くした
ことを特徴とする特許請求の範囲第8項記載のイオン源
(9) A patent characterized in that the pause time between one pulsed electric field and the next pulsed electric field that is repeatedly applied between the electrodes is longer than the time required for the particle flow to pass through the electric field application region. An ion source according to claim 8.

α〔上記リドベルグ状態を、その主量子数が20以上の
高励起状態としたことを特徴とする特許請求の範囲第1
項ないし第9項のいずれかに記載のイオン源。
α[Claim 1, wherein the Ridberg state is a highly excited state with a principal quantum number of 20 or more.
The ion source according to any one of Items 9 to 9.

αυ 上記電場間に磁場を印加するための磁場発生器を
配置したことを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし
第10項のいずれかに記載のイオン源。
11. The ion source according to claim 1, further comprising a magnetic field generator for applying a magnetic field between the electric fields.

(2)上記磁場が電場と平行であることを特徴とする特
許請求の範囲第11項記載のイオン源。
(2) The ion source according to claim 11, wherein the magnetic field is parallel to the electric field.

αj ガリウムを含む粒子流に波長403.3na+の
レーザ光を照射してガリウムを4pの基底状態から53
の励起状態へ第一段励起した後、波長429 nmより
波長の短いレーザ光によりリドベルグ状態へ励起するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第12項の
いずれかに記載のイオン源。
αj A particle stream containing gallium is irradiated with a laser beam of wavelength 403.3na+ to transform gallium from the ground state of 4p to 53
The ion source according to any one of claims 1 to 12, characterized in that after the first stage of excitation to an excited state, the ion source is excited to a Ridberg state by a laser beam having a wavelength shorter than 429 nm. .

(1荀  少なくとも1つのレーザ光の波長巾を励起す
る原子の遷移波長の同位体シフトより小さくし、該レー
ザ波長をある特定の原子の同位体のみをリドベルグ状態
へ励起する波長に一致させたことを特徴とする特許請求
の範囲第1項ないし第13項のいずれかに記載のイオン
源。
(1) The wavelength width of at least one laser beam is made smaller than the isotope shift of the transition wavelength of the atom to be excited, and the laser wavelength is made to match the wavelength that excites only the isotope of a specific atom to the Rydberg state. An ion source according to any one of claims 1 to 13, characterized in that:

Qつ  上記イオン源より引き出されたイオンビームを
用いて基板上に薄膜を形成し、あるいは基板にイオン打
ち込みを行い、あるいは基板をエツチングすることを特
徴とする特許請求の範囲第1項ないし第14項のいずれ
かに記載のイオン源。
Q. Claims 1 to 14 are characterized in that the ion beam extracted from the ion source is used to form a thin film on the substrate, implant ions into the substrate, or etch the substrate. The ion source according to any of paragraphs.

Q6)  上記電極間に基板を配置したことを特徴とす
る特許請求の範囲第15項記載のイオン源。
Q6) The ion source according to claim 15, characterized in that a substrate is disposed between the electrodes.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のように、この発明によれば、イオン化する物質を
含んだ粒子流の粒子噴出孔近傍の領域にレーザ光を照射
して、特定の物質を高励起状態であるリドベルグ状態に
励起した後、このリドベルグ状態に励起された物質の下
流域に電場を印加するようにしたので、簡単な構成で、
効率良く、高純度・大電流のイオンビームを低出力のレ
ーザ光を用いて容易に発生できる効果がある。
As described above, according to the present invention, after exciting a specific substance to a highly excited Rydberg state by irradiating a region near the particle ejection hole of a particle stream containing an ionized substance with a laser beam, We applied an electric field to the downstream region of the substance excited to the Ridberg state, so with a simple configuration,
This method has the effect of easily generating an efficient, high-purity, high-current ion beam using a low-power laser beam.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明の第1の実施例によるイオン源を示す
図、第2図は上記実施例において使用されているレーザ
光発生器の一構成例を示す図、第3図はNa原子のエネ
ルギー図であってNa原子のりドベルグ状態の一つの例
を示す図、第4図はNa原子の3PzPs/z状態から
nd状態への光学遷移の光の吸収断面積を示す図、第5
図はNa原子のndの放射寿命を示す図、第6図は上記
実施例における、パルスレーザ光照射と電場印加のタイ
ミングを示す図、第7図はこの発明の第2の実施例であ
る、粒子流の流れにほぼ平行に電場を印加する例を示す
図、第8図はこの発明の第3の実施例において、連続発
振のレーザ光を用いる場合のレーザ光照射と電場印加の
タイミングを示す図、第9図はこの発明の第4の実施例
である、電場に平行に磁場を印加する例を示す図、第1
0図は本発明のイオン源を用いて基板上に薄膜を形成す
る場合の一構成例を示す図、第11図は従来のレーザ光
を利用したイオン源装置を示す図、第12図はNa原子
のエネルギー図である。 図において、1は粒子流発生器、2は噴出孔、3は原子
ビーム、4は色素レーザ(λa)、4bは色素レーザ(
λb)、4cは色素レーザ(λC)5a、5b、5cは
レンズ、8はレーザ光発生器、9は光路調整器、10a
、10b、10c、10dはリドベルグ状態の原子ビー
ム、lla、11bは電極、12は引き出し孔、13は
電源、14は電場、15はイオンビーム、16aは色素
レーザ(λl)、16bは色素レーザ(λt)、17は
ミラー 18は誘電体反射ミラー、19はレーザ光、2
0はパルスレーザ光の発振周期、21は電場印加遅れ時
間、22は電場印加時間、23は電場印加休止時間、2
4は電場の強さ、25は磁場、26は基板である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。
FIG. 1 shows an ion source according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 shows an example of the configuration of a laser beam generator used in the above embodiment, and FIG. 3 shows an ion source according to a first embodiment of the present invention. FIG. 4 is an energy diagram showing an example of the Nordberg state of Na atoms; FIG. 4 is a diagram showing the light absorption cross section of the optical transition of Na atoms from the 3PzPs/z state to the nd state;
The figure shows the nd radiation lifetime of Na atoms, FIG. 6 shows the timing of pulsed laser beam irradiation and electric field application in the above embodiment, and FIG. 7 shows the second embodiment of the present invention. A diagram showing an example of applying an electric field almost parallel to the flow of particles, and FIG. 8 shows the timing of laser light irradiation and electric field application when continuous wave laser light is used in the third embodiment of the present invention. 9A and 9B are diagrams showing an example of applying a magnetic field parallel to the electric field, which is a fourth embodiment of the present invention, and FIG.
0 is a diagram showing an example of a configuration when forming a thin film on a substrate using the ion source of the present invention, FIG. 11 is a diagram showing an ion source device using a conventional laser beam, and FIG. It is an energy diagram of an atom. In the figure, 1 is a particle flow generator, 2 is an ejection hole, 3 is an atomic beam, 4 is a dye laser (λa), and 4b is a dye laser (
λb), 4c is a dye laser (λC) 5a, 5b, 5c is a lens, 8 is a laser beam generator, 9 is an optical path adjuster, 10a
, 10b, 10c, and 10d are Rydberg state atomic beams, lla and 11b are electrodes, 12 is an extraction hole, 13 is a power source, 14 is an electric field, 15 is an ion beam, 16a is a dye laser (λl), and 16b is a dye laser ( λt), 17 is a mirror, 18 is a dielectric reflection mirror, 19 is a laser beam, 2
0 is the oscillation period of the pulsed laser beam, 21 is the electric field application delay time, 22 is the electric field application time, 23 is the electric field application pause time, 2
4 is the strength of the electric field, 25 is the magnetic field, and 26 is the substrate. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or equivalent parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)原子もしくは分子よりなる粒子流を発生する粒子
流発生器と、 上記粒子流発生器の粒子噴出孔近傍の粒子流上の全ても
しくは一部の原子もしくは分子に1種もしくは複数の波
長を有するレーザ光を照射するレーザ光発生器と、 上記レーザ光が照射された領域より下流の粒子流の一部
もしくは全域にわたって電場を印加するための一組の電
極と、 該電極間に電場を発生するための電圧を該電極に印加す
るための電源とを備えたイオン源において、 上記レーザ光の波長を、粒子流中の特定の原子もしくは
分子を基底状態から価電子の主量子数が大きい高励起状
態であるリドベルグ状態(RydbergStates
)へ励起する1種類もしくは複数の励起波長を有する波
長とし、 レーザ光入射後、上記電極間に上記リドベルグ状態の原
子もしくは分子をイオン化する最小電場以上の電場を発
生する電圧を印加するようにし、上記電極の一部にイオ
ンビーム引出し用の1つもしくは複数の引出し孔を設け
たことを特徴とするイオン源。
(1) A particle stream generator that generates a particle stream consisting of atoms or molecules, and one or more wavelengths applied to all or some of the atoms or molecules on the particle stream near the particle ejection hole of the particle stream generator. a laser beam generator that irradiates a laser beam having a laser beam; a set of electrodes for applying an electric field to part or the entire region of the particle flow downstream from the region irradiated with the laser beam; and generating an electric field between the electrodes. In an ion source equipped with a power source for applying a voltage to the electrode, the wavelength of the laser beam is changed from the ground state to a high wavelength where the principal quantum number of valence electrons is large. Rydberg states are excited states.
), and after the laser beam is incident, a voltage is applied between the electrodes to generate an electric field greater than the minimum electric field that ionizes the atoms or molecules in the Ridberg state, An ion source characterized in that one or more extraction holes for extracting an ion beam are provided in a part of the electrode.
JP63221129A 1988-09-02 1988-09-02 Ion source Pending JPH0268835A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001095677A1 (en) * 2000-06-02 2001-12-13 Japan Science And Technology Corporation Atomic beam generating method and device
JP2013505545A (en) * 2009-09-18 2013-02-14 エフ・イ−・アイ・カンパニー Distributed ion source acceleration column
US9201357B2 (en) 2012-08-29 2015-12-01 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Image forming apparatus

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US9448522B2 (en) 2012-08-29 2016-09-20 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Image forming apparatus

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